1. INTRODUÇÃO. Capítulo BREVE HISTÓRICO DA ROBÓTICA

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1 Capítulo 1 1. INTRODUÇÃO A automação ocupa lugar importante nas mais diversas atividades industriais. A robótica, em particular, está presente em um número cada vez maior de aplicações industriais, realizando tarefas difíceis ou impossíveis para os operadores, aumentando a precisão, a produtividade, a flexibilidade, reduzindo custos, dentre outras vantagens. Os robôs manipuladores iniciaram uma revolução industrial em setores tais como: manipulação de materiais, soldagem, montagens, pintura, etc. [1]. As indústrias nacionais aplicam uma quantidade relativamente reduzida de robôs em seus parques fabris comparando-se com as de países desenvolvidos. O mercado de robôs no Brasil está defasado se comparado com o potencial de sua economia, pois, enquanto a Espanha possui em torno de robôs industriais, o Brasil só possui 850 unidades (dado de 1997). Os robôs instalados em nossas indústrias são importados de países da Europa, América do Norte e Japão, entre os fabricantes nacionais destacam-se a Villares-Hitachi, a Metrixer e a Romi. O Brasil precisa avançar mais na área da robótica por ser uma área estratégica, considerando as vantagens que o uso de robôs proporcionam para a indústria, tornando-a mais competitiva [2]. Este trabalho pretende mostrar algumas das etapas como a modelagem cinemática e dinâmica do anteprojeto do braço de um manipulador robótico. 1.1 BREVE HISTÓRICO DA ROBÓTICA O grau de desenvolvimento tecnológico, adquirido ao longo da história da civilização ocidental, está diretamente associado ao conceito de evolução humana. A motivação de se criar máquinas para realizar o trabalho humano é característica da cultura ocidental. Diversas invenções propiciaram o conhecimento tecnológico necessário para substituir gradualmente o trabalho humano pela máquina, algumas das quais originaram a ciência da Robótica com especial ênfase nos robôs manipuladores [3]. Nesta seção são

2 2 apresentados, em ordem cronológica, alguns dos fatos e dispositivos da história recente que mais influenciaram na formação desta nova ciência [4]: Joseph Marie Jacquard (1801) - desenvolvimento do tear programável através de cartões perfurados. A invenção de Jacquard é o primeiro dispositivo programável de que se tem notícia e foi tomado como base para o desenvolvimento de outros dispositivos programáveis desenvolvidos posteriormente. Chistopher Spencer (1830) - invenção do torno programável por cames 1. Seward Babbitt (1892) - invenção do guindaste motorizado. Willard Pollard e Harold Roselund (1938) - projeto do primeiro mecanismo de movimentação de pistola de pintura programável para a companhia Devilbiss. George C. Devol (1946) - patenteia dispositivo para manuseio de materiais, com "memória programável". Raymond Goetz (1951) - projeta um manipulador remoto, um dispositivo mestre-escravo utilizado para movimentar materiais perigosos - radioativos. Em 1952 é construída pelo Laboratório de Servomecanismos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) a primeira máquina-ferramenta controlada por comando numérico (máquina NC 2 ). C. W. Kenward (Inglaterra, 1954) - requer a patente da invenção do primeiro robô. George C. Devol (E.U.A.,1954) projeta e desenvolve o robô para transferência programada de peças para a Unimate. Esse dispositivo teve origem na combinação de duas novas tecnologias: o comando numérico e o manipulador remoto. A tecnologia NC permitia coordenar o funcionamento de uma máquina-ferramenta através da informação armazenada em programa. A aplicação dessa característica das máquinas NC em um manipulador remoto permitiu, então, a Devol criar um manipulador que pudesse ser programado e que funcionasse sem que uma pessoa o comandasse remotamente [5]. Planet Corporation (1959) - introduz o primeiro robô comercial para movimentação de peças, controlado por chaves fim-de-curso e cames. É lançado o primeiro robô Unimate hidráulico, pela Unimation (1960). Versatran - primeiro robô cilíndrico, projetado por Harry Johnson e Veljko Milenkovic é introduzido no mercado pela American Machinery Foundry Corporation. General Motors (1962) - instalação do primeiro robô industrial (Unimation) na linha de 1 Came é uma haste que transforma movimento circular em movimento retilíneo ou rotatório alternado. 2 NC numeric command: comando numérico

3 3 produção. Aplicação das transformações homogêneas a cinemática do robô (1965). Desenvolvimento do braço robótico elétrico na universidade de Stanford (1970). Lançamento do primeiro robô industrial controlado por minicomputador, T3, projeto de Richad Hohn, na Cincinnati Milacrom (1973). Em 1974, nos EUA, o professor Victor Scheinman, projetista do robô de Stanford, comercializa a versão industrial para este modelo. Desenvolvimento do robô PUMA - (Programmed Universal Machine for Assembly) pela Unimation (1978). Desenvolvimento do robô SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assembly), pela universidade Yamanashi (Japão,1979). Todos estes fatos e invenções citadas, como o tear programável por cartões de Jacquard que deu origem aos dispositivos programáveis, o torno programável por cames de Spencer que deu origem as máquinas-ferramenta, o guindaste motorizado de Babbit que deu início aos estudos de articulações motorizadas, o mecanismo com memória programável para movimentação de materiais, associado ao conceito das máquinasferramenta, inspiraram Devol a projetar e desenvolver o robô para a Unimate. Estas e as demais invenções, as aplicações de conceitos e conhecimentos citados é que possibilitaram o desenvolvimento de dispositivos manipuladores robóticos, hoje fazem parte da ciência da Robótica. 1.2 DEFINIÇÃO DE ROBÔ Muitas empresas e instituições em países diversos construíram robôs e os principais fabricantes adotaram a sua própria definição do que vem a ser um robô. Três definições atuais de importantes associações na área de robótica são dadas a seguir: Definição de robô pela ISO 8373:1994" [6]: "Um robô industrial é definido como um manipulador programável em três ou mais eixos, controlado automaticamente, reprogramável e multifuncional". Segundo o Instituto de Robôs da América RIA - Robot Institute of América [1], um robô pode ser definido como sendo: Um manipulador reprogramável e multifuncional projetado para mover e

4 4 manusear materiais, peças, ferramentas, ou dispositivos especiais capazes de desempenhar uma variedade de tarefas através de movimentos variáveis programados. A Associação Japonesa de Robôs Industriais, "Japanese Industrial Robot Association (JIRA)" [7], define robô de forma mais ampla: Um dispositivo com graus de liberdade que pode ser controlado. Além disso, divide os robôs nas seis classes seguintes: Classe 1: Robôs manipulados são dispositivos com vários graus de liberdade operados manualmente; Classe 2: Robôs de seqüência fixa são dispositivos manipuladores que desempenham sucessivas tarefas de acordo com um método predeterminado e imutável, muito difícil de ser modificado; Classe 3: Robôs de seqüência variável, dispositivos que desempenham tarefas sucessivas que podem ser facilmente modificadas; Classe 4: Robôs repetitivos são dispositivos que repetem uma seqüência de tarefas gravadas e são conduzidos ou controlados por operador humano; Classe 5: Robôs de controle numérico são robôs onde o operador programa os movimentos; Classe 6: Robôs inteligentes apresentam a capacidade de compreender seu ambiente e a habilidade de terminar tarefas apesar das mudanças nas circunstâncias. O Instituto de Robótica da América (RIA) considera como robôs apenas as três últimas destas classes 1.3 PROPOSTA DO TRABALHO Em 1994, a SOCIESC recebeu uma proposta de uma empresa para a aquisição de uma unidade de um sistema robotizado didático. A proposta da compra não despertou um interesse na época, além do elevado custo inicial de implantação, pois a aquisição do sistema pronto não permitiria o domínio de sua tecnologia com a mesma excelência que o desenvolvimento de um projeto próprio permite. Optou-se por projetar e construir um robô, considerando que os recursos

5 5 laboratoriais nas áreas de mecânica, metalurgia e outros, bem como os recursos humanos disponíveis viabilizariam a execução de um projeto próprio. Pretende-se que o robô projetado apresente alta capacidade de carregamento, alta velocidade de movimentação e boa precisão de posicionamento do efetuador, baixo custo e que seja adequado às aplicações industriais. Para que o robô tenha versatilidade cinemática satisfatória, propõe-se um mecanismo articulado com seis graus de liberdade, uma classe de robôs com ampla utilização nas atividades industriais. A execução do projeto traz vantagens como o domínio de tecnologias nas áreas de Engenharia Mecânica e Elétrica, Informática, Controle e principalmente a Robótica, oferecendo condições para formação de técnicos capacitados com conhecimento nas referidas áreas. O Robothron é um robô articulado de seis graus de liberdade. É concebido como um robô para fins educacionais. Um protótipo do punho esférico RPR 3 já foi construído e para o acionamento da junta do cotovelo será projetado um mecanismo paralelo de quatro barras representada na Figura 1. Este trabalho aborda o desenvolvimento do anteprojeto do braço para a sustentação e movimentação do punho já existente [8]. Figura 1 - Manipulador Robothron Fonte: o autor 3 Punho RPR (Roll-Pitch-Roll) realiza uma seqüência de movimentos de rotação, arfagem e rotação do flange.

6 6 O projeto do Robothron iniciou-se com a construção do punho esférico do manipulador, conforme a Figura 2. Figura 2 Punho esférico do Robothron Fonte: Dokonal, C. V. Depois de concluído o projeto e execução do antebraço, o robô atuará como uma ferramenta didática no ensino da robótica e demais áreas do conhecimento tecnológico. 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO O presente trabalho está organizado em sete capítulos mais os três apêndices e dois anexos. O texto inicia-se pela presente introdução, que apresenta um breve histórico de acontecimentos recentes que originaram a robótica, a definição de robô de acordo com três entidades representativas dos maiores fabricantes, os objetivos e a organização deste trabalho. No capítulo 2, são descritos alguns dos componentes elementares e aspectos construtivos de manipuladores robóticos. São apresentados os conceitos de cadeia cinemática aberta e fechada de robôs manipuladores, bem como os sistemas de transmissão, atuadores e sensores responsáveis pela movimentação dos elos de manipuladores robóticos. É relatada a história do robô Robothron. O capítulo encerra-se com a exposição detalhada e desenhos das partes componentes do braço do manipulador. O capítulo 3 aborda a cinemática para mecanismos complexos, apresentando conceitos de espaço dos atuadores e de espaço das juntas. Também é apresentada a notação de Sheth-Uicker, com a descrição dos elos e das juntas e seus parâmetros, a numeração dos elos e as transformações entre estes. Também é apresentada a cinemática para mecanismos de cadeia fechada. Também são aplicados os parâmetros de Sheth-Uicker à cinemática

7 7 direta do Robothron. Outra modelagem cinemática apresentada envolve a cinemática direta com seus parâmetros de Denavit-Hartenberg. Ao final do capítulo são apresentadas três formas representativas da orientação do efetuador final e simulações em Matlab. No capítulo 4 é apresentado cálculo da cinemática inversa do manipulador Robothron, que consiste em determinar os ângulos de cada uma das articulações partindose de uma posição e orientação do efetuador final bem conhecidas. São apresentadas também as comprovações da cinemática inversa obtidas as simulações em computador. O capítulo 5 aborda o cálculo da cinemática diferencial onde são obtidas as equações do jacobiano geométrico e as singularidades do Robothron. O capítulo 6 aborda a estática do manipulador e nele são determinados as forças e os momentos utilizados para dimensionar os sistemas de transmissão e os atuadores. O capítulo 7 inicia-se com uma abordagem da dinâmica do manipulador polar com dois graus de liberdade, é abordada a dinâmica do manipulador planar de dois elos e completa-se com a dinâmica do paralelogramo que compõem o antebraço Robothron. O capítulo 8 apresenta as conclusões a respeito da presente estrutura do manipulador do Robothron. A dissertação é complementada com três apêndices: o primeiro apresenta as listagens das rotinas para a determinação da cinemática direta usando a notação de Sheth- Uicker com os programas Maple e Matlab. O segundo apêndice contém matrizes utilizadas na obtenção da cinemática inversa e do Jacobiano e o terceiro apêndice apresenta desenhos com cotas do manipulador Robothron elaborados no Autocad. O anexo mostra os desenhos dos redutores harmônicos.